Материал: Теоретические основы передачи ВЧ сигналов

Введение

Данный учебный курс является частью серии National Instruments Measurement Fundamentals. В каждом из учебников этой серии приводится теория и рассматриваются примеры, посвященные специфическим темам из различных областей применения измерительных систем. В настоящем курсе обсуждаются аспекты беспроводной передачи данных по ВЧ каналам связи.

Чтобы посмотреть полный список учебников, вернитесь на главную страницу NI Measurement Fundamentals или на страницу NI RF Fundamentals Main, следующую за списком учебников по RF. Для получения более подробной информации о продуктах National Instruments, предназначенных для работы с ВЧ сигналами, посетите сайт www.ni.com/RF

Амплитудная модуляция

Модуляция - это процесс изменения высокочастотного несущего сигнала с целью передачи информации. Несмотря на то, что теоретически возможна передача сигнала с ограниченной полосой частот (или информации) без модуляции, гораздо эффективней передавать данные, модулируя высокочастотный несущий сигнал. Это связано с тем, что высокочастотные сигналы требуют антенн меньших размеров, повышается пропускная способность канала связи, и возможна передача различных видов данных. АМ радиостанции транслируют аудиосигналы на частотах в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, используя несущие сигналы с частотой от 500 кГц до 1,7 МГц. Если бы мы были вынуждены передавать аудиосигналы напрямую, нам понадобилась бы антенна апертурой около 10000 км! В общем случае модуляцию можно разделить на аналоговую и цифровую. Амплитудная модуляция является одной из форм аналоговой модуляции.

Рис. 1. Основные стадии АМ модуляции

Математические аспекты

Несущий сигнал - это, как правило, высокочастотная синусоидальная волна. Имеется три параметра синусоидальной волны, которые могут изменяться - это амплитуда, частота и фаза. Любой из этих параметров может быть модулирован или изменён для передачи информации. Синусоидальная волна может быть математически описана синусной или косинусной функцией с амплитудой A_c, частотой f_c и фазой ц.

Несущий сигнал модулируется путём изменения амплитуды по отношению к исходному сигналу с ограниченной полосой. Исходный сигнал может быть представлен следующей формулой:

m(t) = M_b cos(2рf_b+ ц)

а несущий сигнал может быть представлен так:

c(t) = A_c cos(2рf_c)

Для упрощения уравнения будем считать, что между несущим и исходным сигналом нет фазовых различий и поэтому ц = 0.

Модулированный сигнал можно представить как добавление амплитуды исходного сигнала к амплитуде несущего сигнала.

(Ac + m(t)) cos(2рfc)

С помощью тригонометрических формул форма волны может быть преобразована к виду:

A_c cos(2рf_c) + M_b/2 cos(2р(f_c - f_b)) +

M_b/2 cos(2р(f_c + f_b))

Типы Амплитудной Модуляции (АМ)

Как видно из приведенного выше уравнения, модулированный сигнал имеет составляющие на трёх частотах: f_c, f_c - f_b и f_c + f_b. Для передачи сигнала на всех трёх частотах, необходимы затраты энергии и увеличение полосы пропускания. Чтобы обойти эту проблему, мы можем использовать фильтр для отсечки одной из боковых полос (обычно нижней боковой полосы). Получающаяся модуляция называется модуляцией с одной боковой полосой. (Single Sideband Modulation (SSB)).

Рис. 2. Вид области частот с двумя боковыми полосами - Полный сигнал

Как бы то ни было, путём фильтрования одной из боковых полос мы теряем часть исходной мощности модулированного сигнала. Для увеличения передаваемой мощности, мы можем транслировать вместе и нижнюю и верхнюю полосу. Это - двуполосная модуляция (Double Sideband modulation (DSB)).

Одним из компонентов модулированного сигнала является чистое несущее колебание. Так как оно не содержит какой-либо информации, необходимости передавать его нет. Таким образом, перед передачей сигнала такое колебание можно удалить. Такая модуляция называется одно/двуполосной модуляцией с подавлением несущей (Single Sideband/Double Sideband - Suppressed Carrier Modulation. (SSB-SC, DSB-SC)).

Однако, несущая частота требуется для демодуляции сигнала. Поэтому существуют специальные схемы, которые могут извлекать информацию о несущей с помощью одной из боковых полос. Они и используются при демодуляции.

Амплитудная модуляция может быть также использована для передачи цифровых данных. Квадратурная амплитудная модуляция (QAM) использует 4 заранее установленных амплитудных уровня для определения цифровых битов.

Применение в реальных условиях

Несмотря на то, что АМ модуляция полезна для изучения предмета, это не самый эффективный и удобный способ модуляции сигнала. Простая АМ - это медленный процесс, требующий большой мощности. Поскольку сегодня большинство коммуникаций цифровые, на практике применяются намного более сложные методы, которые, в основном, используют фазовую манипуляцию (PSK). PSK - это тип фазовой модуляции, который используется для передачи цифровых данных.

Фазовая автоподстройка частоты

Фазовая автоподстройка частоты (PLL) - это схема с управляемой обратной связью, которая синхронизирует фазу сгенерированного сигнала с фазой опорного сигнала. Важно помнить, что генерироваться могут только те сигналы, частота которых кратна частоте опорного сигнала.

Основными компонентами схемы фазовой автоподстройки частоты являются: опорный генератор (reference oscillator), фазовый детектор, делитель частоты, генератор, управляемый напряжением (VCO), усилители и фильтры.

Схема фазовой автоподстройки частоты сравнивает фазу сгенерированного сигнала и сигнала опорного генератора, и затем использует их разницу для регулировки сгенерированного сигнала. Чтобы сравнить два колебания, необходимо, чтобы у них была одна и та же частота. Поскольку, частота генерируемого сигнала может быть больше частоты опорного сигнала, в схеме присутствует блок деления частоты. Так как он может делить только на целое число, частота сгенерированного сигнала должна быть целочисленно кратной частоте опорного генератора. В результате, фазовый детектор выдает напряжение, пропорциональное разности фаз между двумя колебаниями. Это напряжение усиливается, фильтруется и затем используется в качестве управляющего в VCO. VCO регулирует сигнал в соответствии с данным напряжением.

Фазовая автоподстройка частоты играет существенную роль во многих современных схемах. Она используется для демодуляции амплитудно- и частотно-модулированных сигналов, синхронизации, распознавания слабых сигналов на фоне шумов и в DTMF декодерах и модемах.

Частотная модуляция

Частотная модуляция (ЧМ, FM - Frequency Modulation) - это такой тип модуляции, при котором изменения частоты несущего колебания соответствуют изменениям в информационном сигнале. Такая модуляция считается аналоговой, так как исходный сигнал является типичным аналоговым сигналом без дискретных цифровых значений.

Применение

Частотная модуляция обычно используется для радио- или телевизионной трансляции. FM радиостанции, вещают в диапазоне от 88 МГц до 108 МГц и используют FM модуляцию для передачи аудиосигнала. Каждая радиостанция использует полосу частот в 38 кГц. Аналоговое телевидение также применяет FM модуляцию. Фактически, телевизионные каналы с 0 по 72 передают сигналы в диапазоне от 54 МГц до 825 МГц.

Принципы создания частотно модулированного сигнала

Основной принцип FM модуляции заключается в том, что амплитуду исходного аналогового сигнала можно представить как небольшое изменение частоты несущего колебания. Ниже показана реализация сказанного.

Из рисунка видно, что разные амплитуды исходного сигнала (график белого цвета) соответствуют определенным частотам несущего колебания (красный график). Математически можно представить это уравнением, характеризующим FM модуляцию.

Во-первых, обозначим исходный сигнал в виде:

Во-вторых, можно представить синусоидальную несущую уравнением:

Собственно математический процесс модуляции несущей исходным сигналом m(t) требует двухступенчатого процесса. Во-первых, исходный сигнал необходимо проинтегрировать по времени, чтобы получить зависимость фазы от времени, ?(t). Это делает возможным процесс модуляции, так как ЧМ реализуется стандартной схемой фазовой модуляции. Блок-схема FM передатчика представлена ниже.

Как показано на вышеприведённой блок-схеме, интеграция исходного сигнала даёт зависимость фазы от времени, которая выражается следующим образом:

Ещё раз уточним, что полученная модуляция является фазовой, поскольку определяется изменением фазы несущей во времени. Этот процесс осуществляется квадратурным модулятором, принцип действия которого показан ниже: